JPWO2013160952A1 - 冷媒分配器、この冷媒分配器を備えた熱交換器、冷凍サイクル装置及び空気調和機 - Google Patents

Abstract

並列に配置された複数の扁平管２０に冷媒を並列に流す熱交換器１の複数の扁平管２０の一端に接続され、内部が１以上の仕切板１１により複数の伝熱管２０の並列方向に仕切られた構成を有し、上下方向に立てて設置されるヘッダ１０ａと、仕切板１１により仕切られたヘッダ１０ａ内の各部屋のそれぞれに、冷媒を分配して流入させるディストリビュータ４０とを有する。

Description

本発明は、例えば空気調和機等の冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器に取り付けられ、冷媒を分配する冷媒分配器及びこの冷媒分配器を備えた熱交換器に関する。

従来より、上下方向に延びる一対のヘッダが左右方向に離間して配置され、一対のヘッダ間に複数の扁平管を並列に配置し、複数の熱交換管の両端部を一対のヘッダに連通するように構成した熱交換器がある。この種の熱交換器では、蒸発器として用いる場合に、冷媒が気液二相流で流入するため、入口側のヘッダ内で重力方向に液が溜まり、一方でガスがヘッダ内の上方に溜まる。よって、各扁平管に冷媒を均等に分配することができず、熱交換器の性能が低下する課題がある。

そこで、熱交換器を蒸発器として用いる場合には、入口側のヘッダに対し、冷媒を均等に分配する機能が求められる。このような冷媒分配器として、従来より、ヘッダ内部に上下方向に折り返すループ状流路を構成し、流入した二相冷媒流をヘッダ内部で循環させて均質化し、複数の伝熱管のそれぞれに分配するようにした冷媒分配器がある（例えば、特許文献１参照）。

また、冷媒の均一な分配を図った蒸発器として、左右方向（水平方向）に延びる一対のヘッダが互いに離間して配置され、一対のヘッダ間に複数の扁平管を並列に配置した構成を有し、入口側のヘッダに、左右方向に間隔を空けて複数の冷媒入口を設け、各冷媒入口からオリフィスを介してヘッダ内部に冷媒を噴射させて流入させるようにした蒸発器がある（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１１−８５３２４号公報（要約、図１） 特開２０００−２４９４２８号公報（要約、図４）

特許文献１の構造では、ある程度の冷媒均等分配効果は見られるものの、複数の伝熱管の全てがヘッダ内部で連通しているため、ヘッダ内においてヘッド差の影響を受ける。このため、冷媒分配効果が十分とは言い切れず、更なる改良が求められている。

特許文献２では、ヘッダを水平に設置しているため、ヘッド差の影響を受けない。しかし、ヘッダを上下方向に立てて設置する場合、ヘッド差の影響を受けて下側に液が溜まり易いという課題がある。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、ヘッド差の影響を抑制して冷媒を均等に分配することが可能な冷媒分配器及びこの冷媒分配器を備えた熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係る冷媒分配器は、並列に配置された複数の伝熱管に冷媒を並列に流す熱交換器の複数の伝熱管の一端に接続され、内部が１以上の仕切板により複数の伝熱管の並列方向に仕切られた構成を有し、上下方向に立てて設置されるヘッダと、仕切板により仕切られたヘッダ内の各部屋のそれぞれに、冷媒を分配して流入させるディストリビュータとを有するものである。

本発明によれば、ヘッド差の影響を抑制して冷媒を均等に分配することが可能な冷媒分配器を得ることができる。ヘッダを上下方向に立てて設置する場合に特に有効な効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態に係る冷媒分配器を備えた熱交換器の概略斜視図である。 図１の冷媒分配器の一部の概略断面図である。 図１の扁平管を示す斜視図である。 図１の熱交換器が適用された冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す図である。 冷媒分配器の他の構成例を示す図である。 風速分布に応じた各部屋の高さの決定原理の説明図である。

図１は、本発明の一実施の形態に係る冷媒分配器を備えた熱交換器の概略斜視図である。図２は、図１の冷媒分配器の一部の概略断面図である。図１、図２及び後述の図において、同一の符号を付したものは、同一の又はこれに相当するものであり、これは明細書の全文において共通している。更に、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であってこれらの記載に限定されるものではない。

熱交換器１は、冷媒を並列に流すパラレルフローの熱交換器であって、左右方向に離間して配置され、上下方向に立てて設置された一対のヘッダ１０（１０ａ、１０ｂ）と、一対のヘッダ１０間に上下方向に並列に配置され、両端が一対のヘッダ１０に接続された複数の扁平管（伝熱管）２０とを有している。そして、熱交換器１は更に、複数のフィン３０と、ディストリビュータ４０とを有している。一対のヘッダ１０、扁平管２０及びフィン３０は、何れもアルミ又はアルミ合金で構成されている。ディストリビュータ４０は、ヘッダ１０ａにキャピラリチューブ５０を介して接続され、ヘッダ１０ａと共に冷媒分配器を構成している。

フィン３０は、一対のヘッダ１０間に互いに間隔を空けて積層され、その間を空気が通過する板状フィンであり、フィン３０には複数の扁平管２０が貫通している。なお、フィン３０は必ずしも板状フィンでなくてもよい。例えば上下方向に扁平管２０と交互に積層して配置される波形状のフィン等でもよく、要は空気通過方向に空気が通過するように配置されたフィンであればよい。

扁平管２０は、図３に示すように冷媒流路となる貫通孔２０ａを複数有している。

ヘッダ１０ａは、内部が１以上の仕切板１１で上下方向に仕切られて複数の部屋１２を形成している。ここでは７枚の仕切板１１により８個の部屋１２が形成されている。各部屋１２のそれぞれには、上下方向に複数の貫通孔１３が形成され、この各貫通孔１３に扁平管２０が接続されている。また、各部屋１２のそれぞれは、キャピラリチューブ５０を介してディストリビュータ４０に接続されている。

ディストリビュータ４０は、冷媒の流れを絞るオリフィス（図示せず）を内部に有しており、熱交換器１を蒸発器として用いる場合に、自身に流入する気液二相流をオリフィスに通すことで噴霧流化（均質流化）し、均等分配し易い状態にする。ここで噴霧流化された冷媒は各キャピラリチューブ５０に均等に分配されて流入し、キャピラリチューブ５０内を通って各部屋１２のそれぞれに流入する。

キャピラリチューブ５０は、その仕様（長さ、内径）で管内圧損を調整し、ヘッダ１０ａの各部屋１２への分流比を調整する。ここでは、全てのキャピラリチューブ５０の仕様は同じとし、同量の冷媒を各部屋１２に流入させるものとする。

このような構成の熱交換器１を製造する際には、扁平管２０、フィン３０、一対のヘッダ１０を全て組み立てた状態で同時に炉中ロウ付け接合し、その後、ディストリビュータ４０及び各キャピラリチューブ５０を接続する。

図４は、図１の熱交換器が適用された冷凍サイクル装置の冷媒回路を示す図である。
冷凍サイクル装置６０は、圧縮機６１と、凝縮器６２と、減圧装置としての膨張弁６３と、蒸発器６４とを備えている。凝縮器６２と蒸発器６４の少なくとも一方に、熱交換器１が用いられる。圧縮機６１から吐出されたガス冷媒は凝縮器６２に流入し、凝縮器６２を通過する空気と熱交換して高圧液冷媒となって流出する。凝縮器６２を流出した高圧液冷媒は膨張弁６３で減圧されて低圧の気液二相冷媒となり、蒸発器６４に流入する。蒸発器６４に流入した低圧の気液二相冷媒は、蒸発器６４を通過する空気と熱交換して低圧ガス冷媒となり、再び圧縮機６１に吸入される。

以下、図１及び図４を参照して熱交換器１を蒸発器として用いる場合の冷媒の流れを説明する。図１において実線矢印は蒸発器として用いる場合の冷媒の流れを示している。
膨張弁６３から流出した気液二相冷媒流は、まずディストリビュータ４０に流入して噴霧流化される。噴霧流化された冷媒は、各キャピラリチューブ５０に均等に分配されて流入する。各キャピラリチューブ５０を通過した各冷媒は、ヘッダ１０ａの各部屋１２にそれぞれ流入する。

ここで、ヘッダ内に仕切板を設けない従来構成の場合、ヘッダ内部全体が連通しているため、重力によるヘッド差が大きく偏流が生じやすい。しかし本実施の形態では、仕切板１１を設けてヘッダ１０ａ内部を仕切り、ヘッド差を小さくした各部屋１２に各冷媒を流入させるようにしている。よって、各部屋１２に流入した各冷媒に対するヘッド差の影響は低減され、各部屋１２の各冷媒は、その部屋１２に接続された各扁平管２０に、均等に分配されて流入する。

各扁平管２０に流入した各冷媒は、扁平管２０の貫通孔２０ａを介してヘッダ１０ｂ側に向けて流れ、ヘッダ１０ｂで合流し、外部接続配管１４から熱交換器１外に流出する。

以下、図１及び図４を参照して熱交換器１を凝縮器として用いる場合の冷媒の流れを説明する。図１において点線矢印は凝縮器として用いる場合の冷媒の流れを示している。
圧縮機６１から流出したガス冷媒流は、ヘッダ１０ｂ内に流入し、ここで均等分配されて各扁平管２０に流入する。冷媒がガス状態の場合は均等分配が容易であるため、ディストリビュータ等の冷媒分配器は不要であり、圧縮機６１から流出したガス冷媒流を直接、ヘッダ１０ｂに流入させる構成としている。

そして、各扁平管２０に流入した各冷媒は、扁平管２０の貫通孔２０ａを介してヘッダ１０ａ側に向けて流れ、ヘッダ１０ａの各部屋１２のそれぞれに流入する。各部屋１２のそれぞれに流入した各冷媒は、各キャピラリチューブ５０を介してディストリビュータ４０に流入し、ここで合流して熱交換器１外に流出する。

以上説明したように本実施の形態によれば、熱交換器１を蒸発器として用いる場合に、流入した二相冷媒流をディストリビュータ４０により均等分配し、均等分配された各冷媒を、ヘッド差の低減を図った各部屋１２に流入させるようにした。これにより、各部屋１２に流入した各冷媒に対するヘッド差の影響が低減され、各扁平管２０に均等分配して流入させることができ、偏流を抑制できる。よって、このディストリビュータ４０とヘッダ１０ａとを有する冷媒分配器を用いることで、蒸発器の能力を最大限に発揮することができ、蒸発器としての熱交換器１の熱交換効率を高めることができる。

なお、仕切板１１の位置は、均等分配が可能なヘッド差を考慮して決定すればよい。仕切板１１を必要最低限だけ設けるようにすることで、コスト低減が可能となる。

また、本発明の冷媒分配器及び熱交換器は、図１に示した構造に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で例えば以下の（１）〜（３）のように種々変形実施可能である。

（１）各部屋１２の冷媒流入部に更に、分配偏流を抑制するための偏流抑制部材を設けてもよい。
偏流抑制部材としては、分配偏流を抑制することが可能なものであればよく、例えば図５に示すようにオリフィス７０を設けるようにしてもよい。オリフィス７０は、部屋１２のキャピラリチューブ５０の接続口に設けられ、キャピラリチューブ５０の内径よりも小さい内径の貫通孔７１を有する。オリフィス７０は、キャピラリチューブ５０から流入した冷媒の流れを貫通孔７１で更に絞ることで噴霧流化を促進する。このように噴霧流化を促進することで、部屋１２内における各扁平管２０への分配がより均等になり、分配偏流をより抑制することが可能となる。

（２）熱交換器１における風速分布に応じて各部屋１２の高さ（複数の扁平管２０の並列方向の長さ）を決定するようにしてもよい。
熱交換器１に空気を送風する送風ファンからの風速は、熱交換器１の全面において均一とは限らず、風速分布が存在する。 例えばビル用マルチエアコンの場合、熱交換器１の上部に送風ファンが設置されるため、熱交換器１の上部の方が下部に比べて風速が速くなる。熱交換器１を蒸発器として用いる場合において、風速が速い部分を通過する冷媒は、風速が遅い部分を通過する冷媒に比べてガス化が進んで乾きやすくなる。よって、各部屋１２に流入する冷媒量が同じ場合、風速が速い部分を通過した冷媒は、風速が遅い部分を通過した冷媒よりも乾き度が高くなり、ヘッダ１０ｂに流入する冷媒状態にばらつきが生じる。

このように冷媒状態にばらつきが生じると、外部接続配管１４から外部へ流出する冷媒状態が安定しなくなる。よって、風速が速い部分に位置する扁平管２０が接続するヘッダ１０ａ部分については、一部屋あたりの熱交換領域が小さくなるように、部屋１２の高さを小さくし、その部屋１２に接続する扁平管数を少なくする。次の図６で具体的に説明する。

図６は、風速分布に応じた各部屋の高さの決定原理の説明図で、ここでは、上部側の風速が速く、下部側の風速が遅い場合の例を示している。
図６に示すように、風速が速い上部側の部屋１２Ａの高さを、風速が遅い下部側の部屋１２Ｂの高さよりも小さくし、部屋１２Ａに接続する扁平管数を部屋１２Ｂに接続する扁平管数よりも少なくしている。これにより、部屋１２Ａ側の熱交換領域Ａが部屋１２Ｂ側の熱交換領域Ｂによりも小さくなり、いわば伝熱面積が小さくなっている。したがって、実質的な熱交換量が熱交換領域Ａと熱交換領域Ｂとで略同じとなり、出口の冷媒状態を揃えることができる。

なお、ここでは各部屋１２に流入する冷媒量が同じであり、部屋１２の高さを変えることで出口の冷媒状態を揃える例を示したが、次のようにしてもよい。すなわち、各部屋１２の高さを同じとし、各部屋１２に流入する冷媒の配分量を変える。この場合、各部屋１２に流入する冷媒の配分量を風速分布に応じて決め、この決められた配分量となるように、キャピラリチューブ５０の仕様（長さ、内径）を決めればよい。具体的には、風速が速い部分に位置する扁平管２０が接続される部屋１２に対する配分量が多く、風速が遅い部分に位置する扁平管２０が接続される部屋１２に対する配分量が少なくするように、キャピラリチューブ５０を選定することになる。

（３）本実施の形態では、熱交換器１が全体略Ｉ字状の例を示したが、全体略Ｌ字状、全体略Ｕ字状、全体略矩形状としてもよい。熱交換器１をどの形状とするかは、熱交換器１が設置される筐体内における熱交換器１の実装スペースを応じて決めればよく、実装スペースを最大限に利用して高密度に実装できる形状とすればよい。

（４）本実施の形態では伝熱管を扁平管としたが、必ずしも扁平管でなくてもよく、円管としてもよい。

１ 熱交換器、１０ ヘッダ、１０ａ ヘッダ、１０ｂ ヘッダ、１１ 仕切板、１２ 部屋、１２Ａ 部屋、１２Ｂ 部屋、１３ 貫通孔、１４ 外部接続配管、２０ 扁平管（伝熱管）、３０ フィン、４０ ディストリビュータ、５０ キャピラリチューブ、６０ 冷凍サイクル装置、６１ 圧縮機、６２ 凝縮器、６３ 膨張弁、６４ 蒸発器、７０ オリフィス、７１ 貫通孔、Ａ 熱交換領域、Ｂ 熱交換領域。

本発明は、例えば空気調和機等の冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器に取り付けられ、冷媒を分配する冷媒分配器、この冷媒分配器を備えた熱交換器、冷凍サイクル装置及び空気調和機に関する。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、ヘッド差の影響を抑制して冷媒を均等に分配することが可能な冷媒分配器、この冷媒分配器を備えた熱交換器、冷凍サイクル装置及び空気調和機を提供することを目的とする。

本発明に係る冷媒分配器は、並列に配置された複数の伝熱管に気液二相状態の冷媒を並列に流す熱交換器の複数の伝熱管の一端に接続され、内部が１以上の仕切板により複数の伝熱管の並列方向に仕切られた構成を有し、上下方向に立てて設置されるヘッダと、仕切板により仕切られたヘッダ内の各部屋のそれぞれに、冷媒を分配して流入させるディストリビュータとを有するものである。

また、本発明の冷媒分配器及び熱交換器は、図１に示した構造に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で例えば以下の（１）〜（４）のように種々変形実施可能である。

Claims (7)

1. 並列に配置された複数の伝熱管に冷媒を並列に流す熱交換器の前記複数の伝熱管の一端に接続され、内部が１以上の仕切板により前記複数の伝熱管の並列方向に仕切られた構成を有し、上下方向に立てて設置されるヘッダと、
   前記仕切板により仕切られた前記ヘッダ内の各部屋のそれぞれに、冷媒を分配して流入させるディストリビュータと
   を有することを特徴とする冷媒分配器。
2. 前記各部屋のそれぞれの冷媒流入部には、冷媒の偏流を抑制する偏流抑制部材が設けられていることを特徴とする請求項１記載の冷媒分配器。
3. 前記偏流抑制部材は、冷媒の流れを絞るオリフィスであることを特徴とする請求項２記載の冷媒分配器。
4. 前記仕切板の位置は、前記熱交換器における風速分布に応じて設定されており、風速が速い部分を通過する前記伝熱管が接続される前記部屋の前記並列方向の長さが、風速が遅い部分を通過する前記伝熱管が接続される前記部屋の前記並列方向の長さよりも短くなるように前記仕切板の位置が設定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の冷媒分配器。
5. 前記ディストリビュータは、冷媒流量の調整が可能な複数のキャピラリチューブのそれぞれを介して前記各部屋のそれぞれに接続されており、前記各部屋に流入させる冷媒の配分量は、前記熱交換器における風速分布に応じて設定されており、風速が速い部分に位置する前記伝熱管が接続される前記部屋に対する配分量は、風速が遅い部分に位置する前記伝熱管が接続される前記部屋に対する配分量よりも多くなるように前記複数のキャピラリチューブが選定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の冷媒分配器。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の冷媒分配器を備えたことを特徴とする熱交換器。
7. 前記複数の伝熱管の並列方向は上下方向であり、前記ヘッダが上下方向に立てて設置され、前記伝熱管が、冷媒流路となる貫通孔を複数有する扁平管であることを特徴とする請求項６記載の熱交換器。

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